Variação da Entalpia nas Mudanças de Estado Físico

De forma simples, entalpia (H) pode ser definida como o conteúdo de energia de uma substância. Não é possível medir essa entalpia na prática, mas somente a variação da entalpia (?H) de um processo. A variação da entalpia é a quantidade de energia que foi liberada ou absorvida no processo e pode ser dada pela expressão genérica a seguir:

?H = H_FINAL - H_INICIAL

Nas mudanças de estado físico sempre há uma perda ou um ganho de energia e a variação da entalpia pode então ser medida. Por exemplo, observe abaixo as mudanças de estado físico da água:

• Fusão:

Para que o gelo derreta, passando do estado sólido para o líquido (fusão), é necessário que ele absorva uma determinada quantidade de energia. Por exemplo, temos que tirar o gelo do congelador e deixá-lo num lugar com a temperatura mais elevada que a dele, para que haja transferência de calor do meio para o gelo e assim ele derreta.

A transformação da água sólida em líquida absorve energia porque no estado sólido as moléculas possuem ligações intermoleculares mais energéticas que as moléculas no estado líquido. Assim, para que as ligações da água sólida fiquem mais fracas, é preciso fornecer energia às moléculas.

Visto que absorve calor, a fusão é um processo endotérmico:

H₂O_(s) + energia → H₂O_(?)
ou
H₂O_(s) → H₂O_(?)    ?H > 0

Mas quanto será o valor de ?H desse processo?

É possível descobrir isso por meio dos valores da variação da entalpia de formação da água no estado líquido e no estado sólido. Para a formação de cada uma, os valores de ?H são diferentes; assim, basta diminuir os valores e ver a diferença:

H_2(g) + ½ O_2(g) → H₂O_(?)    ?H = -285,6 kJ

H_2(g) + ½ O_2(g) → H₂O_(s)    ?H = -292,6,6 kJ

Observe que a energia liberada na formação da água líquida é maior que na formação da água sólida, mostrando novamente que, para passar do estado sólido para o líquido, a água precisa absorver energia.

Visto que em condições padrão as entalpias de substâncias simples, tais como H₂ e O₂, são iguais a zero, podemos concluir que os valores das variações da entalpia dadas nas reações acima são iguais às entalpias dos produtos, isto é, o  ?H de H₂O_(?) é igual a 285,5 kJ e de H₂O_(s) é igual a 296,6 kJ.

Diminuindo esses valores sabemos quanto de energia o gelo precisa ganhar para derreter, ou seja, o valor do ?H da fusão:

H₂O_(s) → H₂O_(?)    ?H_fusão = (-292,6 – (-285,5)) kJ
                               ?H_fusão = + 7 kJ

Desse modo, temos a seguinte definição:

• Solidificação:

O processo inverso, de transformação da água líquida em gelo, é denominado solidificação. Para que ele ocorra é necessário que a água perca energia, como acontece na formação da neve. Esse é um processo exotérmico.

H₂O_(?) → H₂O_(s) + 7 kJ
ou

H₂O_(?) → H₂O_(s)    ?H = - 7 kJ

• Vaporização:

Agora vamos considerar a passagem da água líquida para vapor. Nesse caso, temos uma vaporização, em que é necessário absorver energia para que se consiga romper as ligações entre as moléculas da água, pois no estado gasoso elas estão mais afastadas do que no estado líquido. Isso significa que a vaporização é um processo endotérmico.

Também é possível determinar o valor de ?H_{vaporização} por meio das entalpias de formação da água no estado líquido e no estado de vapor:

H_2(g) + ½ O_2(g) → H₂O_(?)    ?H = -285,5 kJ

H_2(g) + ½ O_2(g) → H₂O_(v)    ?H = -241,6 kJ

H₂O_(?) → H₂O_(v)    ?H_{vaporização} = (-241,6 – (-285,6)) kJ
                               ?H_{vaporização} = + 44 kJ

• Liquefação:

Para que o processo inverso ocorra, isto é, uma condensação (ou liquefação), é necessário que a água no estado de vapor perca energia e se transforme em água no estado líquido. Isso ocorre porque parte da energia presente nas moléculas no estado de vapor, que é responsável por seu movimento caótico, é usada para formar as ligações intermoleculares das moléculas de água no estado líquido. Porém, a outra parte é eliminada, sendo um processo exotérmico.

H₂O_(g) → H₂O_(?) + 44 kJ
ou

H₂O_(s) → H₂O_(?)    ?H = - 44 kJ

Resumindo, temos: